גופרית כפתרון לסוללות בתעשיית הרכב
סוללות מבוססות גופרית עשויות לאפשר טווח נסיעה גדול יותר ופתרון ייצור בר־קיימה לתעשיית הרכב החשמלי. מחקר חדש מציג את היתרונות הכימיים והכלכליים של סוללות ליתיום־גופרית לצד האתגרים שמונעים את כניסתן לשוק הרחב.
סוללת LytCell EV מבוססת ליתיום-גופרית מתוכננת לספק צפיפות אנרגיה גבוהה פי שלושה מסוללות ליתיום-יון הקיימות כיום, מה שמאפשר לרכב חשמלי להגיע לטווחי נסיעה של עד 1,500 ק"מ בטעינה אחת. מדובר בשיפור ניכר לעומת טווחי הנסיעה המרביים של הדגמים הנמכרים בארה״ב כיום. הסיבה לכך נעוצה בכימיה אחרת לחלוטין: במקום קתודה המבוססת על תחמוצות מתכתיות נדירות ומזהמות, סוללות אלו משתמשות בגופרית שהיא חומר זול, נפוץ ואינו תלוי במכרות מתכות כגון קובלט וניקל.
בכל סוללה קיימים שלושה רכיבים: קתודה, אנודה ואלקטרוליט. בליתיום־יון, הקתודה עשויה מתחמוצת מתכתית והאנודה עשויה משכבות גרפיט. ליתיום נע בין השכבות בצורת יונים בהתאם למצב טעינה ופריקה. בליתיום-גופרית האנודה עשויה מליתיום מתכתי, ואילו הקתודה מבוססת גופרית המשולבת במבנה פחמני מוליך. בזמן הפריקה, היונים מגיבים עם הגופרית ויוצרים מגוון תרכובות ליתיום סולפיד, תהליך שמאפשר שחרור של כמות גדולה יותר של אלקטרונים ולכן אנרגיה רבה יותר ליחידת משקל.
גופרית היא חומר זמין וזול, ולכן אפשר לייצר סוללות מסוג זה ללא שימוש במתכות יקרות שמגיעות מאזורים בעלי תקני עבודה נמוכים. הפחתת התלות במתכות כבדות עשויה להפוך את שרשרת האספקה של הרכב החשמלי לנקייה, בטוחה וזולה יותר.
הבעיה המרכזית: אורך חיים קצר
למרות היתרונות, סוללות ליתיום גופרית חשופות לשחיקה מהירה: לעיתים הן מאבדות קיבולת לאחר פחות ממאה מחזורי טעינה ופריקה. זאת בשל תופעת "שאטלינג", שבה תרכובות ליתיום־סולפיד מתמוססות באלקטרוליט ונודדות מהקתודה, וכך מצמצמות את יכולת הסוללה לאגור אנרגיה.
בעשור האחרון הושגו פריצות דרך של ממש בתעשייה: אלקטרוליטים חדשניים ומבני אלקטרודות נקבוביים מצליחים ללכוד את תרכובות הביניים ולמנוע נדידה, ובעקבות זאת דגמי ניסוי שומרים על יותר מ־80 אחוז מהקיבולת גם לאחר אלפי מחזורים.
למרות ההתקדמות, ישנם אתגרים שנותרו ללא פתרון. ברמת הבטיחות למשל, הקתודה יציבה יותר מזו של ליתיום־יון, אך נחוץ מחקר נוסף כדי לוודא עמידות מלאה במצבי קיצון. יש להגיע לפשרה בין קיבולת לחיי סוללה: ככל שהסוללה אוגרת יותר אנרגיה, כך אורך חייה מתקצר בשל עוצמת התגובות הכימיות. עניין נוסף הוא התאמה לרכבים. ביישומים כגון אחסון אנרגיה לרשת או רחפנים, אפשר להסתפק בחיי סוללה קצרים יותר, אך רכבים חשמליים מצריכים טווח גדול וגם עמידות רב־שנתית.
סוללות ליתיום־גופרית כבר אינן נתפסות כרעיון מעבדתי בלבד, אך דרושות מספר שנות פיתוח נוספות עד שיוכלו לעמוד בדרישות המחמירות של תעשיית הרכב. אם האתגרים ייפתרו, הן עשויות להיות דור חדש של סוללות קלות יותר, נקיות יותר ובעלות טווח גדול במיוחד, ולשנות את פני התחבורה החשמלית.
